Astroteilchenphysik in Deutschland - Perspektiven und Empfehlungen - Das Komitee für Astroteilchenphysik, 21. April 2016
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Astroteilchenphysik in Deutschland –
Perspektiven und Empfehlungen
–
Das Komitee für Astroteilchenphysik, 21. April 2016
Astroteilchenphysik in Deutschland –
Perspektiven und Empfehlungen
Das Komitee für Astroteilchenphysik, 21. April 2016
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungsgebietes Astroteilchenphysik
erkunden die fundamentalen und bemerkenswert vielfältigen Zusammenhänge zwischen den
sub-atomaren Skalen und den größten Strukturen des Universums. Die Astroteilchenphysik hat
sich mit großem Erfolg als eine eigenständige Disziplin etabliert, die an den Schnittflächen von
Astrophysik, Kosmologie und Kern- und Teilchenphysik liegt. Auf diesem Terrain bündeln sich
neben den originären Themen des Forschungsgebietes auch wesentliche Fragestellungen
dieser Nachbardisziplinen, die dort häufig nur teilweise beantwortet werden können.
Die Astroteilchenphysik hat über die letzten zwei Jahrzehnte großartige Erfolge vorzuweisen,
angefangen von der Entdeckung der Neutrino-Oszillationen (Nobelpreis 2015), über den Beginn
der detaillierten Kartierung des Universums im Licht hochenergetischer Gammastrahlung, bis
hin zur Eröffnung eines völlig neuen Beobachtungsfensters zum Kosmos durch
hochenergetische Neutrinos - um nur drei prägnante Beispiele zu nennen. Daneben wurden die
Eigenschaften von Neutrinos und von Dunkler Materie mit 10- bis 100-mal größerer Genauigkeit
eingegrenzt als dies zu Beginn dieses Jahrhunderts gegeben war. Der enorme
Erkenntniszuwachs innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne demonstriert eindrucksvoll, wie
stürmisch sich das Gebiet entwickelt. Die gewonnenen Erkenntnisse definieren sehr klar den
Weg für aussichtsreiche zukünftige Entwicklungen des nächsten Jahrzehnts, eindrucksvoll
eingeleitet von dem bahnbrechenden Nachweis von Gravitationswellen.
Die gesellschaftliche Bedeutung der Forschung auf dem Gebiet der Astroteilchenphysik reicht
weit über die eigentlichen wissenschaftlichen Fragestellungen hinaus: Kulturelle Aspekte des
Ursprungs aller Materie, einzigartige Erforschung extremster Materieformen die nur das
Universum anbietet, und darüber hinaus das Beflügeln hochtechnologischer Entwicklungen und
deren Anwendung auf teilweise völlig anderen Gebieten, wie z.B. in der Bildverarbeitung oder
der Medizintechnik. Diese Themen, ihre teilweise unser ganzes Weltbild neu
zusammenstellenden Erkenntnisse, und schließlich die äußerst hohen technischen
Herausforderungen begeistern insbesondere junge Menschen, sich intensiv mit Forschung,
Entwicklung und neuen Technologien zu beschäftigen. Viele junge Menschen entscheiden sich
gerade wegen dieser globalen Fragen für ein Studium im MINT-Bereich.
Diese Grundlagenforschung erfolgt in Deutschland in einzigartiger Zusammenarbeit von
Helmholtz-, Max-Planck und Leibniz-Instituten mit vielen Universitäten. Die Anzahl der
Professuren in der Astroteilchenphysik wurde oft durch Umwidmungen bei Wiederbesetzungen
und Einrichtungen neuer Professuren ausgebaut, was ein klarer unabhängiger Indikator für
Erfolg, Zukunftsfähigkeit, und breite gesellschaftliche Einbettung dieses Feldes ist.
Die Erfolge der jüngsten Vergangenheit wurden durch neuartige Methoden und Instrumente,
sowie durch die rasante Erhöhung der Empfindlichkeit dieser Instrumente ermöglicht. Das ist
auch die Richtschnur, um im nächsten Jahrzehnt wissenschaftliche Durchbrüche zu erzielen
und um den Spitzenplatz Deutschlands im internationalen Wettbewerb zu sichern.
In diesem Papier beleuchten wir den Stand der Astroteilchenphysik in Deutschland und
sprechen Empfehlungen aus, wie die Erfolge und die wissenschaftliche Bedeutung dieses
Forschungsfeldes in Deutschland weiterentwickelt werden können.
1
1) Zusammenfassung der Empfehlungen
Die hier vorgeschlagenen Forschungsschwerpunkte und Empfehlungen für zukünftige Themen
gründen auf einer sorgfältigen Abwägung des wissenschaftlichen Entdeckungspotentials, des
fundamentalen Charakters der wissenschaftlichen Fragen, der Stärken der deutschen Gruppen
in den jeweiligen Feldern, sowie auf der Berücksichtigung einer realistischen Finanzierung.
Wir nennen hier stichpunktartig zu den zentralen Fragen der Astroteilchenphysik die vom KAT
empfohlenen Schlüsselexperimente und -aktivitäten. Aufgrund der besonderen
Förderungslandschaft in Deutschland gehen wir dabei zuerst auf spezielle Empfehlungen für
die Verbundforschung 2017-2020 des BMBF ein.
Empfehlung des KAT für die Verbundforschung:
Natur der Dunklen Materie:
u Direkte Suche mit XENON1T/nT und CRESST
Intrinsische Eigenschaften von Neutrinos:
u Vollständige Ausschöpfung der Empfindlichkeitspotentiale der Experimente KATRIN
(Neutrinomasse) und GERDA (Teilchencharakter).
u F&E für Messung der Massenhierarchie mit atmosphärischen Neutrinos (IceCube-Gen2:
PINGU).
Hochenergetisches Universum:
u Aufbau des UHE-Gamma-Observatoriums CTA und Unterstützung der beiden
Vorgängerexperimente H.E.S.S. und MAGIC bis zum Start von CTA.
u Kosmische Strahlung: Fertigstellung und Inbetriebnahme von AugerPrime und
Ausnutzung seiner vollen Empfindlichkeit.
u Astrophysikalische Neutrinos: Ausnutzung der vollen Empfindlichkeit von IceCube und
F&E für ein Neutrinoteleskop der nächsten Generation; Konzentration dabei auf
IceCube-Gen2 unter Aufrechterhaltung der Alternativlösung KM3NeT für den Fall, dass
IceCube-Gen2 nicht realisiert werden kann.
u Gravitationswellen: experimentnahe Detektorentwicklung
Theorie:
u Experimentnahe theoretische Arbeiten
2
Weitere Empfehlungen des KAT:
Natur der Dunklen Materie:
u Alternative Suchen nach Axionen und axionartigen Teilchen, sowie sterilen keV-
Neutrinos
Intrinsische Eigenschaften von Neutrinos:
u Ausschöpfung der Sensitivität der Oszillationsexperimente Borexino und Double Chooz.
u Entwicklung neuartiger Technologien zur Neutrino-Massenbestimmung, z.B. ECHo.
u Flüssigszintillator-Experimente zur Massenhierarchie (JUNO) und zur Suche nach
sterilen eV-Neutrinos (SOX, STEREO)
u Ausschöpfung des astrophysikalischen Potentials von JUNO.
u Ein Experiment (ORCA, PINGU) zur Bestimmung der Massenhierarchie mittels der
Messung atmosphärischer Neutrinos, falls dieses deutlich eher realisiert werden kann als
die beschleunigerbasierten Neutrinoexperimente Hyper-Kamiokande und DUNE.
Hochenergetisches Universum:
u Multimessenger-Analyse (UHE Gammas, kosmische Strahlung, HE Neutrinos), auch
unter Einbeziehung von Gravitationswellen
u Aufrechterhaltung der deutschen Expertise bei Unterwasserteleskopen (KM3NeT)
u Exploration von Gravitationswellenastronomie
Astroteilchenphysik-Theorie:
u Beibehaltung und Weiterentwicklung einer experimentunabhängigen Theorie in der
Astroteilchenphysik
u Experimentübergreifende und Multimessenger-Analysen, sowie die Unterstützung der
Experimente in Planung, Bewertung, Design und Auswertung
Nukleare Astrophysik:
u Terrestrische Laborexperimente mit astrophysikalischer Relevanz, z.B. LUNA-MV-
Beschleuniger im italienischen Untergrundlabor LNGS und der im Aufbau befindliche
Beschleuniger im Dresdener Felsenkeller
u Interdisziplinäre Netzwerke zur Verbindung von Kernphysik, Stern- und Supernova-
Physik, und extremer Materieformen wie Neutronensternen sowie der Genese schwarzer
Löcher
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2) Zentrale Fragen der Astroteilchenphysik
Die Astroteilchenphysik - ein innovatives und modernes Forschungsfeld - ergründet die
fundamentalen und vielfältigen Zusammenhänge zwischen den allerkleinsten sub-
atomaren Skalen und den größten Strukturen des Universums.
Das dynamische Feld untersucht hochenergetische kosmische Teilchen-, Gamma- und
Neutrino-Strahlung als Boten aus dem Universum mit neuartigen, äußerst empfindlichen
Nachweismethoden. Bei Experimenten in Untergrundlaboren wird die kosmische Strahlung um
viele Größenordnungen unterdrückt, um auf diese Weise nach extrem seltenen Ereignissen wie
dem neutrinolosen doppelten Betazerfall oder der Dunklen Materie zu suchen.
Astroteilchenphysik-Experimente der heutigen Generation sind extrem anspruchsvoll. Zur
Durchführung sind besondere Infrastrukturen notwendig, die gemeinsam mit internationalen
Partnern betrieben werden. Zur direkten Messung der Neutrinomassen etwa wird das
Tritiumlabor des KIT in Karlsruhe benötigt. Zur Suche nach dunkler Materie und zur
Erforschung der intrinsischen Eigenschaften von Neutrinos sind die
Abschirmungseigenschaften (Faktor eine Million) des Untergrundlabors LNGS im Gran Sasso-
Massiv in Italien erforderlich. Die Beobachtung von extragalaktischen Hochenergie-Neutrinos
kann nur an Orten wie
dem tiefen Eis an der
Amundsen-Scott-
Südpolstation oder in
den Tiefen des
Mittelmeers gelingen.
Und für eine
erfolgreiche
Hochenergie-Gamma-
Astronomie und zur
Beobachtung der
kosmischen Strahlung
braucht es
H.E.S.S. II Luft-Cherenkov-Teleskop Anordnung streulichtarme
Verhältnisse und große
unbewohnte Flächen,
wie sie nur an wenigen Orten weltweit, etwa in Argentinien, Namibia, La Palma oder Chile zu
finden sind.
Die Astroteilchenphysik-Forschungsgruppen aus Deutschland genießen weltweit höchstes
Ansehen. Als führende Partner auf zahlreichen Feldern der Astroteilchenphysik sind sie
hervorragend positioniert in der nächsten Dekade zentrale Fragen zu beantworten. Die
Schwerpunkte liegen auf Arbeiten zu Fragen
i. der Natur der dunklen Materie;
ii. der Eigenschaften von Neutrinos;
iii. des hochenergetischen Universums.
Sowohl die experimentellen als auch die theoretischen Arbeiten der drei Schwerpunkte sind eng
miteinander verknüpft, und die Fragen können nur im Rahmen der bestehenden engen
Koordination innerhalb der Astroteilchenphysik und ihrer angrenzenden Forschungsfelder
beantwortet werden. Ein Beispiel ist der Multi-Messenger-Ansatz, der jetzt die bereits
bekannten hochenergetischen Photonen, Neutrinos und Atomkerne um die gerade entdeckten
Gravitationswellen erweitern muss. Die Beantwortung dieser Fragen geschieht mit einem
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Portfolio aus anspruchsvollen Experimenten und mit Hilfe von Infrastrukturen, die i.d.R. nur
gemeinsam mit den internationalen Partnern betrieben werden können. Die Flexibilität und
Diversität der Methodik ist eine grundlegende Eigenschaft des Forschungsfeldes und führte
maßgeblich zu den wissenschaftlichen Erfolgen.
Die Erfolge der letzten Jahre,
ermöglicht durch die Finanzierung
durch die Verbundforschung
Astroteilchenphysik des BMBF, der
Deutschen
Forschungsgemeinschaft, der
Europäischen Union, sowie Max-
Planck Gesellschaft, Helmholtz-
Gemeinschaft und Universitäten,
haben zu einem stetigen Wachstum
der nationalen und internationalen
Gemeinschaft der
Astroteilchenphysikerinnen und -
physiker geführt. Wir sind bereit,
uns weiteren Herausforderungen zu
Modell des Doppelbetazerfalls-Experiments GERDA
stellen und die nächsten
Entdeckungsphasen in Angriff zu
nehmen.
Details des Lasersystems des Gravitationswellenexperiments GEO600
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Natur der dunklen Materie
Die bekannte Materie, die aus Atomen aufgebaut ist, macht nur etwa ein Sechstel der Materie
im Universum aus. Der überwiegende Anteil ist eine uns noch unbekannte Materieform, die wir
Dunkle Materie nennen. Diese Dunkle Materie bildet “Halos” um Galaxien wie unsere
Milchstraße. In der Astroteilchenphysik versuchen wir die Dunkle Materie Teilchen unserer
Milchstraße direkt mit technologisch neuartigen Detektoren, wie XENON1T oder CRESST,
nachzuweisen, die sich tief im Erdboden in Untergrundlaboratorien unter mehr als einem
Kilometer Abschirmung aus Felsen befinden. Mit Neutrino- oder Gamma-Teleskopen wie
IceCube oder CTA oder mit dem AMS II-Experiment auf der ISS suchen wir indirekt nach
Teilchen, die bei der Vernichtung von Dunkler Materie mit sich selbst entsteht. Diese beiden
Methoden sind
komplementär zur
Suche nach Dunkler
Materie am LHC. Bei
einer Entdeckung von
Kandidatenteilchen am
LHC müssten weitere
Messungen der
Astroteilchenphysik zur
Klärung durchgeführt
werden, ob sie
hinreichend langlebig
sind und im frühen
Universum in
Dunkle Materie-Experiment XENON1T hinreichender Anzahl
gebildet wurden.
Eigenschaften von Neutrinos
Neutrinos sind die häufigsten Elementarteilchen im Universum. Sie sind etwa eine Milliarde Mal
zahlreicher als Atome, extrem leicht und bilden einen kleinen Teil der Dunklen Materie. Die
Forschung an und mit diesen faszinierenden Teilchen wurde schon 1988, 1995 und 2002 mit
Physik-Nobelpreisen ausgezeichnet, jetzt wurde die Entdeckung der Oszillation solarer und
atmosphärischer Neutrinos durch
Takaaki Kajita und Arthur B.
McDonald und ihren Teams mit
dem Nobelpreis Physik 2015
geehrt: Neutrinos besitzen andere
Eigenschaften als nach dem
Standardmodell der Teilchenphysik
vorausgesagt. Nach dieser
Entdeckung der Neutrinooszillation
lauten die Fragen: Wie groß ist die
Neutrinomasse, wird sie durch das
Higgs-Boson genauso verursacht
wie bei den anderen
Elementarteilchen, oder durch
einen anderen Massen- Neutrinomassen-Experiment KATRIN
mechanismus? Stimmt die
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Massenreihenfolge (Hierarchie) der Neutrinos mit der Reihenfolge ihrer geladenen
Partnerteilchen überein? Welche sonstigen Eigenschaften haben Neutrinos, sind sie ihre
eigenen Antiteilchen? Wie ist ihre Mischung genau, die für die Umwandlung einer Neutrinosorte
in eine andere verantwortlich ist? Gibt es weitere, sterile, Neutrino-Sorten? Wie groß ist die CP-
Verletzung bei den Neutrinos? Ist ihre CP-Verletzung dafür verantwortlich, dass das Universum
nur aus Materie und nicht auch aus Antimaterie besteht?
Mit dem KATRIN-Experiment soll die Neutrinomasse direkt kinematisch aus dem Betazerfall
des Wasserstoffisotops Tritium bestimmt werden. Wenn Neutrinos identisch mit ihren
Antiteilchen sind, dann tritt – äußerst selten – der neutrinolose doppelte Betazerfall auf. Aus der
Halbwertszeit dieses Prozesses kann auf die Neutrinomasse geschlossen werden. Bei der
Suche nach diesem sehr seltenen Zerfall steht in Deutschland das GERDA-Experiment im
Vordergrund. Sein Nachweis würde gleichzeitig den Beweis liefern, dass Neutrinos zugleich
Teilchen und Antiteilchen sind, was weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis hätte,
warum das Universum aus Materie und nicht aber aus Antimaterie aufgebaut ist.
Die Massenhierarchie der Neutrinos stellt eine der noch unbeantworteten fundamentalen
Fragen der Neutrinophysik dar, deren Beantwortung u.a. auch von großer Bedeutung für die
Untersuchung von CP-Verletzung im Neutrinosektor ist. Die Neutrino-Massenhierarchie kann
mit den Methoden der Astroteilchenphysik untersucht werden, komplementär zu (und
wahrscheinlich vor) Experimenten an Beschleunigerstrahlen (Hyper-Kamiokande und DUNE):
Mit zukünftigen dicht instrumentierten Neutrinoteleskopen (PINGU als Teil von IceCube Gen2
oder ORCA, unter Auswertung der Richtungs- und Energieverteilung atmosphärischer
Neutrinos) oder durch die Untersuchung der Oszillationen von Reaktorneutrinos (JUNO).
Hochenergetisches Universum
Aus dem Universum treffen Teilchen mit sehr viel höherer Energie auf die Erde, als sie ein
irdischer Beschleuniger wie der LHC erzeugen kann. Diese kosmischen Boten sind seit über
100 Jahren bekannt und treten in Form von geladener kosmischer Strahlung,
hochenergetischer Gammastrahlung und Neutrinos auf. Die Eigenschaften,
Entstehungsprozesse
und Wechselwirkungen
dieser Botenteilchen
Pierre Auger Observatorium sind so verschieden,
dass durch ihre
Messung “Multi-
Messenger”-
Informationen
wesentliche Fragen des
hochenergetischen
Universums
beantwortet werden
können: Wo befinden
sich die
Teilchenbeschleuniger
im Universum und welche Rolle spielt die kosmische Strahlung in der Entwicklung unserer
Milchstraße und des Universums?
Mit dem Pierre-Auger-Observatorium werden die höchstenergetischen kosmischen Teilchen
gemessen, ihre Zusammensetzung bestimmt und ihre Quellen gesucht. Mit dem
Neutrinoteleskop IceCube wurde im Jahre 2013 entdeckt, dass auch sehr hochenergetische
Neutrinos aus dem Universum auf die Erde treffen. Mit Cherenkov-Teleskopen wie H.E.S.S.
und MAGIC werden hochenergetische Gammaquanten gemessen. Damit wurden erstmals
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Quellen hochenergetischer Gamma-Strahlung in großer Zahl nachgewiesen und z.T. bereits
strukturauflösende Bilder erstellt. Mit dem Nachfolgeprojekt, dem Cherenkov Telescope Array
CTA wird eine neue astronomische
Disziplin mit den Methoden der
Astroteilchenphysik Routine werden.
Weitere hochinteressante
Fragestellungen liegen im
Grenzgebiet der Astroteilchenphysik
zu anderen Disziplinen wie die der
Gravitationswellen, die kürzlich, 100
Jahre nach ihrer Vorhersage, im
Rahmen der allgemeinen
Relativitätstheorie, entdeckt worden
sind. Die Einbindung der
Gravitationswellen in die
Multimessenger-Strategie der
Astroteilchenphysik bietet wichtige
weitere Informationen über das
hochenergetische Universum sowie
auch über das frühe Universum
unmittelbar nach dem Urknall.
Weiterhin erforscht die Nukleare
Astrophysik, welche
Fusionsreaktionen im Urknall, beim
Sternbrennen oder bei
Sternexplosionen ablaufen, und wie
nukleare Energiefreisetzung die
kosmischen Objekte prägt und damit Neutrinoteleskop IceCube
aus anfänglichem Wasserstoff und
Helium unsere Elemente-Vielfalt
entwickelt hat.
Nur das Zusammenführen aller Informationen wird uns dem dem Verständnis des Universums
näher bringen.
Künstlerische Darstelleung der Luft-Cherenkov-Telekop Anordnung CTA
8
3) Empfehlungen
Dunkle Materie
Was ist die Dunkle Materie? Da die Masse der Dunkle Materieteilchen unbekannt ist,
empfiehlt das KAT die folgenden komplementären Wege, die es der deutschen
Astroteilchenphysik-Gemeinde erlauben wird, weiterhin führend bei der Suche und der erhofften
Entdeckung der Teilchen der Dunklen Materie mitzuwirken:
Bei der direkten Suche im Bereich sehr leichter WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle)
besitzt das CRESST-Experiment mit einer speziellen in Deutschland entwickelten
Kryobolometer-Technologie die beste Empfindlichkeit. Das EDELWEISS-Experiment mit
deutscher Beteiligung plant wie CRESST, aber mittels des Neganov-Luke-Effekts, eine
wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit, und strebt zukünftig die Zusammenarbeit mit dem
amerikanischen SuperCDMS-Experiment an. Im Bereich mittelschwerer und schwerer WIMPs
wird der gerade eingeweihte große Zweiphasen-Xenon-Detektor XENON1T und sein Ausbau
auf XENONnT in den nächsten 5-10 Jahren weltweit die führende Empfindlichkeit erreichen.
Hierzu steuern deutsche Gruppen u.a. bei der entscheidenden weiteren Reduktion von
Störsignalen wesentliche innovative Technologien bei.
Die weiter unten genannten Experimente zum Hochenergie-Universum (CTA und IceCube)
suchen komplementär nach sekundären Teilchen aus der Vernichtung eines Teilchens der
Dunklen Materie mit einem anderen Zugang. Der Vergleich der mit XENON1T oder CRESST
direkt gemessenen Streurate und Masse der WIMPs mit der mit CTA oder IceCube
gemessenen Vernichtungsrate und -art würde wesentliche Rückschlüsse auf die Natur der
Dunklen Materie erlauben.
Dunkle Materie wurde bisher nicht entdeckt und die WIMP-Hypothese nicht z.B. durch
Entdeckung neuer Physik am LHC gesichert. Es ist daher notwendig, die Suchen auch auf
Teilchen jenseits von WIMPs auszuweiten. Die vielversprechendsten Alternativen sind Axionen
und axionartige Teilchen sowie sterile keV Neutrinos.
Das KAT empfiehlt, den Experimenten CRESST und XENON1T/nT die notwendigen Mittel
bereitzustellen. Weiterhin empfiehlt das KAT alternative Suchen nach Axionen und
axionartigen Teilchen, sowie sterilen keV-Neutrinos.
Neutrinoeigenschaften
Wie groß ist die Neutrinomasse? Das weltweit führende Experiment zur direkten
Neutrinomassensuche ist das KATRIN-Experiment am KIT unter deutscher Führung.
Sind Neutrinos identisch mit Ihren Antiteilchen? Komplementär und verbunden mit der
Überprüfung, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, ist die Suche nach dem neutrinolosen
doppelten Betazerfall. Hier ist die deutsche Expertise im GERDA-Experiment gebündelt, das
ebenfalls unter deutscher Führung steht. GERDA II hat gerade die Datennahme begonnen,
KATRIN steht nahe davor.
Nach dem Standard-Modell der Kosmologie liegen die Neutrinomassen eventuell sogar noch
unterhalb dieser Empfindlichkeitsgrenzen. Daher werden in Deutschland im Rahmen möglicher
weiterer Projekte innovative Technologien entwickelt, z.B. mit dem unter deutscher Leitung
stehenden ECHo-Experiment, um die Empfindlichkeit mit Experimenten auf international
führendem Niveau in Zukunft nochmals merklich steigern zu können.
9Ist die Massenhierarchie der Neutrinos so wie bei den anderen Elementarteilchen und
gibt es weitere, sterile Neutrinos? In der letzten Dekade wurde das Phänomen der
Neutrinooszillationen in mehreren Experimenten weltweit eindrucksvoll bestätigt und
Oszillationsparameter konnten mit immer höherer Präzision vermessen werden. Beiträge
deutscher Gruppen wurden hier besonders in den Experimenten BOREXINO, DOUBLE
CHOOZ, OPERA und T2K sichtbar. Mit dem BOREXINO Experiment im Gran-Sasso
Untergrundlabor gelang die erstmalige Vermessung aller relevanten Kanäle der solaren pp-
Kette und damit die Bestätigung des Materie-Effektes der Sonne auf Neutrinooszillationen. Mit
Double-Chooz und den Konkurrenzexperimenten DAYA BAY, RENO konnte mittels
Reaktorneutrinos der dritte Mischungswinkel Θ13 bestimmt werden, dessen Größe für die
Planung künftiger Experimente von entscheidender Wichtigkeit ist. Mit OPERA gelang der
direkte Nachweis der Oszillation von Myon- zu Tau-Neutrinos unter Verwendung eines
Neutrinostrahls vom CERN zum Gran-Sasso-Labor. Die von deutschen Gruppen
vorangetriebenen Entwicklungen der Technologie ultrasensitiver Flüssigszintillatoren bei
niedrigsten radioaktiven Verunreinigungen in BOREXINO und Double-Chooz wird in dem neuen
Großexperiment JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) in China Verwendung
finden, das im Jahre 2020 mit der Datennahme beginnen soll. Mit JUNO wird die
Massenhierarchie mit Hilfe von Reaktorneutrinos und damit komplementär zu
Beschleuniergerexperimenten untersucht und es werden weitere Aspekte der
Neutrinoastrophysik bei niedrigen Energien beleuchtet
Ein anderer, vielversprechender Ansatz zur Messung der Neutrinomassenhierarchie ist die
Untersuchung von Oszillationen atmosphärischer Neutrinos auf ihrem Weg durch die Erde mit
dicht instrumentierten Neutrinoteleskopen. Sowohl IceCube wie auch KM3NeT haben Letters of
Intent für entsprechende Detektoren (PINGU bzw. ORCA) vorgelegt, wobei deutsche Gruppen
maßgebliche Beiträge geleistet haben. Angesichts der hohen Neutrinoteleskop-Expertise
deutscher Gruppen empfiehlt das KAT, eines dieser Projekte zu verfolgen, da sie das Potential
haben, deutlich vor den Beschleunigerexperimenten Hyper-Kamiokande und DUNE in Betrieb
zu gehen.
Deutsche Szintillator-Technologie wird im Experiment STEREO am Forschungsreaktor ILL in
Frankreich verwendet werden, und deutsche Gruppen sind entscheidend an BOREXINO/SOX
beteiligt, wo mit einer künstlichen Neutrinoquelle nach dem gleichen Phänomen gesucht wird,
nämlich nach Oszillationen steriler Neutrinos.
Das KAT empfiehlt, KATRIN und GERDA die notwendigen Mittel zur Verfügung zu stellen,
um ihr Empfindlichkeitspotential möglichst vollständig ausschöpfen zu können. Das KAT
empfiehlt die Beteiligung an einem Experiment (ORCA, PINGU) zur Bestimmung der
Massenhierarchie mittels der Messung atmosphärischer Neutrinos, falls dieses deutlich
eher realisiert werden kann, als die beschleunigerbasierten Neutrinoexperimente Hyper-
Kamiokande und DUNE. Weiterhin empfiehlt das KAT, die Sensitivität der
Oszillationsexperimente Borexino und Double Chooz auszuschöpfen. Das KAT empfiehlt
darüber hinaus die Beteiligung an den Flüssigszintillator-Experimenten zur
Massenhierarchie und weiteren astrophysikalischen Fragen (JUNO) und zur Suche nach
sterilen eV-Neutrinos (SOX, STEREO). Das KAT empfiehlt ebenfalls die Entwicklung
neuartiger Technologien zur Neutrino-Massenbestimmung, z.B. ECHo.
Hochenergie-Universum
Wo befinden sich die Teilchenbeschleuniger im Universum und wie funktionieren sie,
welche Rolle spielt die kosmische Strahlung in der Entwicklung unserer Milchstraße und
des Universums?
Zur Untersuchung des Hochenergie-Universums werden alle drei Botenteilchen, d.h. geladene
10kosmische Strahlung, Gamma-Strahlung und Neutrinos genutzt.
Die Aktivitäten der Gamma-Astronomie konzentrieren sich auf die Datennahme mit H.E.S.S. II
und MAGIC und die Vorbereitungen für den Bau von CTA, das als Großgerät des BMBF in den
nächsten Jahren aufgebaut und betrieben wird.
Im Rahmen der Forschungen der kosmischen Strahlung ist das Pierre-Auger-Observatorium
das führende Experiment bei den höchsten Energien mit Deutschland als stärkste Einzelnation.
Kürzlich wurde das internationale Abkommen für den weiteren Betrieb bis 2025 und den
Ausbau zu AugerPrime unterschrieben. Dadurch werden die Voraussetzungen geschaffen, die
Frage nach dem Ursprung der höchstenergetischen Teilchen zu klären, ihre Quellen durch die
Methode der Protonenastronomie zu identifizieren, und spezifische teilchenphysikalische
Fragestellungen bei mehr als zwanzigfacher LHC Schwerpunktsenergie zu untersuchen.
Weiterhin notwendig sind F&E-Arbeiten für zukünftige Projekte in diesem aufstrebenden
Forschungsfeld.
IceCube hat das Thema Neutrinoastronomie eröffnet, ein internationales Memorandum of
Understanding für den weiteren Betrieb wurde gerade unterzeichnet. Ein deutlich größeres
Neutrinoteleskop “IceCube-Gen2“ könnte die Quellen entdecken und die kosmischen
Beschleuniger untersuchen. Über dieses Gesamtprojekt unter amerikanischer Führung an der
amerikanischen Südpolstation wird in den USA voraussichtlich vor 2020 entschieden werden.
Parallel wird im Mittelmeer das Neutrinoteleskop KM3NeT vorangetrieben. IceCube und
KM3NeT arbeiten im Rahmen des Global Neutrino Network auf vielen Gebieten und
Fragestellungen zusammen.
Das IceTop Array auf dem Eis über dem IceCube Gen2-Detektor erlaubt die Untersuchung der
kosmischen Strahlung beim Übergang von galaktischen zu extragalaktischen Quellen
komplementär zum Pierre-Auger-Observatorium.
Das KAT empfiehlt den Aufbau des UHE-Gamma-Observatoriums CTA sowie die
führenden Aktivitäten bei H.E.S.S. und MAGIC als Vorbereitung auf den
wissenschaftlichen Betrieb von CTA. Weiterhin unterstützt das KAT Fertigstellung und
Inbetriebnahme von AugerPrime und Ausnutzung seiner vollen Empfindlichkeit. Das KAT
empfiehlt die deutsche Beteiligung an einem Neutrinoteleskop der nächsten Generation
und sieht die Priorität in IceCube-Gen2, auch aufgrund der umfangreichen bei IceCube
erworbenen Expertise deutscher Gruppen. Das KAT empfiehlt ebenfalls die
Aufrechterhaltung der Alternativlösung KM3NeT insbesondere für den Fall, dass
IceCube-Gen2 nicht realisiert werden kann. Weiterhin empfiehlt das KAT die Exploration
der Gravitaitonswellen-Astronomie inklusive der experimentnahen Detektorentwicklung.
Als notwendig sieht das KAT die Multimessenger-Analyse (UHE Gammas, kosmische
Strahlung, HE Neutrinos) an, auch unter Einbeziehung von Gravitationswellen.
Theorie der Astroteilchenphysik
Das KAT erachtet eine starke theoretische Astroteilchenphysik als unverzichtbar für die
Maximierung des wissenschaftlichen Ertrags der deutschen Investitionen in
Forschungsinfrastrukturen und Experimentprogramme. Eine aktive und lebendige Theorieszene
ist richtungweisend für die Experimente und sehr wichtig, um die Hochenergiesignale in
kosmischer Strahlung, hochenergetischer Gamma-Strahlung und Neutrinos zu interpretieren.
Ebenso notwendig ist die stark mit der Teilchen- und Kernphysik verknüpfte Theorie im Bereich
von Dunkler Materie und Neutrinos. Theoriegruppen verbinden die Ergebnisse der
Astroteilchenphysik auf verschiedene Weise mit denen der Teilchenphysik und Kosmologie,
11wodurch alle experimentellen Daten in die Gesamtinterpretation einfließen. Wichtige
thematische Querverbindungen zur LHC-Physik und anderen Teilchenphysikexperimenten,
Kosmologie und Astrophysik tragen so zu einem optimalen Gesamtbild bei. Die Einbeziehung
all dieser theoretischen Querverbindungen ist auch strategisch bedeutsam, um experimentelle
Suchen zu optimieren und um die Erfolgsaussichten von neuen Projekten der
Astroteilchenphysik bestmöglich einschätzen zu können, mit und ohne direktem
Experimentbezug. Ohne experimentunabhängige Theorie hätten die wissenschaftlichen Erfolge
der letzten Dekade nicht erreicht werden können.
Das KAT empfiehlt die Förderung der experimentnahen theoretischen Arbeiten.
Weiterhin unterstützt das KAT die Beibehaltung und Weiterentwicklung einer
experimentunabhängigen Theorie in der Astroteilchenphysik. Das KAT erachtet die
experimentübergreifenden und Multimessenger-Analysen, sowie die Unterstützung der
Experimente in Planung, Bewertung, Design und Auswertung als sehr wichtig.
Forschung im Grenzbereich zu anderen Disziplinen
Deutschland hat eine sehr aktive Gravitationswellen-Community um das MPI in Hannover mit
dem Großgerät GEO600 und der Beteiligung an internationalen Gravitationswellendetektoren.
Durch die hervorragende Technologieentwicklung der deutschen Gruppen konnte die
Empfindlichkeit der Gravitationswellendetektoren Advanced LIGO in den USA so gesteigert
werden, dass erstmals Gravitationswellen genau 100 Jahre nach deren Vorhersage entdeckt
worden sind. Die deutschen Universitätsgruppen auf diesem Gebiet haben sich eher theoretisch
und auf Datenanalyse bezogen ausgerichtet Nach dieser Entdeckung der Gravitationswellen
erwarten wir ein Anwachsen der Beteiligung an der instrumentellen Entwicklung von
Gravitationswellendetektoren durch Universitätsgruppen. Das KAT empfiehlt hierfür die
Ausschreibung in der Verbundforschung zu prüfen. Weiterhin erwarten wir zukünftig eine
stärkere Vernetzung mit der Astroteilchenphysik, insbesondere bei der Erweiterung der
Multimessenger-Analysen auf Gravitationswellen. Die Empfehlungen des KAT zur
Unterstützung der Gravitationswellenforschung stehen im Abschnitt Hochenergie-Universum.
Nukleare Astrophysik beinhaltet die Aspekte von kernphysikalischer Materiebeschreibung,
astronomische Messmethoden kosmischer Nuklide von weltraumbasierten Gammastrahlen-
Teleskopen bis zu Meteoritenstaub-Spektroskopie und Tiefseeproben-Analysen, sowie
Experimente zu Kernreaktionen unter nachempfundenen kosmischen Bedingungen.
Das KAT empfiehlt die Unterstützung terrestrischer Laborexperimente mit
astrophysikalischer Relevanz, d.h. jenseits der rein kernphysikalischen und über die
Hadronen- und Kernphysik geförderten Fragen. Gerade mit dem im Aufbau befindlichen
Beschleuniger im Felsenkeller in Dresden und dem LUNA-MV Beschleuniger im
italienischen Untergrundlabor LNGS bieten sich neue Möglichkeiten. Weiterhin
unterstützt das KAT interdisziplinäre Netzwerke zur Verbindung von Kernphysik, Stern-
und Supernova-Physik, und extremer Materieformen wie Neutronensternen sowie der
Genese schwarzer Löcher.
124) Gesellschaftliche Relevanz und Anwendungen
Die Astroteilchenphysik ist ein Paradebeispiel eines Feldes der Grundlagenforschung mit hoher
gesellschaftlicher Relevanz und einem reichhaltigen Spektrum von Technologieentwicklungen,
die weit über das eigentliche Forschungsfeld hinaus bedeutsam sind. Sie greift zudem
wissenschaftliche Fragen von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis von Entstehung,
„Funktionieren“ und Gesetzmäßigkeiten des Universums auf und ist somit unverzichtbarer Teil
des kulturellen Strebens nach Einsicht in unseren Ursprung.
Dank ihrer faszinierenden Fragestellungen und Methoden begeistert die Astroteilchenphysik
viele Bürgerinnen und Bürger für Wissenschaft und Forschung und trägt dazu bei, leistungs-
und begeisterungsfähige Studierende für die Physik oder benachbarte MINT-Fächer zu
gewinnen. Im Studium, während der Promotion und in der Postdoktorandenzeit erwerben diese
jungen Forscherinnen und Forscher das Rüstzeug, den Wissenschafts- und
Technologiestandort Deutschland nachhaltig zu stärken.
Die Experimente der Astroteilchenphysik erfordern Technologieentwicklung an der vordersten
Front der Innovation. Beispiele sind der auf Nanosekunden genaue Nachweis einzelner
Photonen unter extremen Bedingungen, extrem schnelle, preiswerte und energiesparende
Ausleseelektronik, die präzise Synchronisation riesiger Detektor-Arrays, schnelle Verarbeitung
riesiger Datenmengen, komplexe und sehr aufwändige Simulationen, die parasitäre Gewinnung
von Umweltdaten bei der Kalibration der Instrumente, die fast vollständige Eliminierung
radioaktiver Signale in Untergrundexperimenten und die Herstellung chemisch höchst reiner
Substanzen. Viele dieser Entwicklungen finden Anwendungen in Feldern wie der
Medizintechnik, industrieller Fertigung oder der IT-Branche. Einige Beispiele solcher innovativer
Entwicklung und ihrer Anwendung auf anderen Gebieten sind im Anhang 3 aufgeführt.
Die Experimente der Astroteilchenphysik liefern Daten, die über lange Zeit relevant bleiben und
ein Vermächtnis an nachfolgende Generationen von Forscherinnen und Forscher darstellen.
Die Astroteilchenphysik in Deutschland hat eine Vorreiterrolle darin, diese Daten zu
konservieren und für den offenen Zugriff jedermann zur Verfügung zu stellen. Auch damit sind
Entwicklungen und Expertise verbunden, die mittelfristig in unserer zunehmend
informationsgeprägten Gesellschaft von hoher Relevanz sein werden.
135) Strategieprozess in der deutschen Astroteilchenphysik
Beim Treffen des KAT in Karlsruhe im Herbst 2014 wurde ein Strategieprozess innerhalb der
deutschen Astroteilchenphysik angestoßen, der auf einem Treffen der deutschen
Astroteilchenphysik im November 2015 in Bad Honnef weitergeführt wurde, auf dem das
vorliegende Papier beruht.
Angesichts der großen wissenschaftlichen aber auch finanziellen Herausforderungen der
kommenden Jahre hat sich das KAT zum Ziel gesetzt, klare Empfehlungen und Priorisierungen
für die nächste Dekade der deutschen Astroteilchenphysik vorzubereiten. Sie sollen aufzeigen,
wie die wissenschaftlichen Fragestellungen der stetig wachsenden deutschen
Astroteilchenphysik-Gemeinschaft im Rahmen der realistisch zur Verfügung stehenden
finanziellen Mittel und Ressourcen auch in Zukunft erfolgreich bearbeitet werden können. Der
Strategieprozess findet in enger Abstimmung zwischen den Forschern an deutschen
Universitäten, Helmholtz-Zentren und Max-Planck-Instituten statt und erfolgt in Diskussion mit
dem BMBF. Der europäische Strategieprozess, der derzeit im Rahmen des APPEC
durchgeführt wird, findet hierbei ebenso Berücksichtigung wie die globalen internationalen
Entwicklungen insgesamt und nationale Interessen.
Die Empfehlungen beinhalten Fortführungen von erfolgreichen bzw. kurz vor dem Start
befindlichen Experimenten, wie auch eine Selektion von exzellenten neuen Experimenten (bzw.
Erweiterungen derselben). Insbesondere durch die außerordentlich erfolgreiche Positionierung
der deutschen Astroteilchenphysik in den letzten Jahren werden auch im nächsten Jahrzehnt
wesentliche Fortschritte und weitere Durchbrüche bei der Beantwortung der genannten drei
Grundfragen - Natur der dunklen Materie, intrinsische Eigenschaften von Neutrinos,
hochenergetisches Universum - erwartet. Dies setzt natürlich voraus, dass die entsprechenden
Rahmenbedingungen für die hierzu erforderlichen innovativen, hochtechnologischen und
methodischen Entwicklungen zumindest vorhanden bleiben, wenn nicht ausgebaut werden. Der
Bau der hierzu erforderlichen Großgeräte und darüber hinaus gehende F&E-Arbeiten
ermöglichen es nicht nur wissenschaftliches Neuland zu betreten und fundamentale Fragen zu
beantworten, sondern sie schaffen auch einen hohen Mehrwert für Industrie und Gesellschaft.
Die Astroteilchenphysiker und -physikerinnen in Deutschland sehen sich gut gerüstet, diesen
Weg konsequent weiterzugehen.
14Anhang 1: Astroteilchenphysikexperimente der Verbundforschung
Die Tabelle gibt einen Überblick über die Beteiligung deutscher Gruppen für die zentralen
Astroteilchen-Projekte der Verbundforschung. Nicht erfasst sind hier in der Astroteilchenphysik
arbeitenden Theoretiker (soweit sie nicht Mitglieder großer Kollaborationen sind).
Experi- Teilnehmer Teil- Gesamt Invest Institutionen in D Hardware- Besondere Zeitplan
ment weltweit nehmer -invest aus D in (Leitinstitute in Aufgaben Verantwortlich-
inklusive /FTE in in M€ M€ fett) deutscher keiten
Doktoranden D Gruppen deutscher
Gruppen
AUGER 450 90 100 25 KIT, RWTH Fluoreszenztelesk Sprecher der Datennahme
Aachen, U ope, Kollaboration, bis 2025,
Hamburg, U Ausleseelektronik Projektbüro und Aufbau von
Siegen, U für Projektmanage AugerPrime
Wuppertal, U Bodenstationen ment, Science 2017 bis 2018
Bonn und Teleskope, Koordinator,
Remote Control, viele Analyse
vollständige und Detektor
Szintillator-
Detektorstationen,
Radionachweis,
Wetterstationen
CTA 1200 140 300 50 MPIK, MPP, Project Office, Sprecher, stellv. 2017
DESY, HU Berlin, Head Quarter Vorsitz Board, Baubeginn,
U Bochum, TU (angestrebt), Porjektmanager, 2018 erste
Dortmund, U MSTs, LST, Projektwissensc Daten
Erlangen, U Kameras, haftler,
Hamburg, U Spiegelsteuerung Teilbereichsleite
Heidelberg, U r
Potsdam, U
Tübingen, U
Würzburg
GERDA 120 29 14 10 MPIK, MPP, TU Ge-76 HPGe Spokesperson, GERDA II
Dresden, TU detector develop- Co- Datennahme
München, U ment and produc- Spokesperson, seit 12/2015
Tübingen tion, LAr instru- chair editorial
mentation, lock- board, chair
system & clean speaker’s
room, DAQ, muon bureau,
veto, cryostat and technical
cryogenic infra- coordinator,
structures, materi-
al screening,
detector integra-
tion.
H.E.S.S. 249 91 24 16 MPIK, HU Berlin, Aufbau und Sprecher (2004- 2004-2013
U Hamburg, U Betrieb der 2015), stellvertr. (HESS I), seit
Bochum, U meisten Sprecher, OC, 2014 (HESS
Heidelberg, U Experimentkompo Technischer II)
Tübingen, U nenten Koordinator,
Erlangen, DESY, Run
U Potsdam Koordinator,
mehrere
Teilprojektleiter
IceCube 360 90 300 30 DESY, RWTH Entwicklung und Chair Speaker IceCube ist im
Aachen, U Aufbau der Digital- commit, Chair Betrieb und
Bochum, U Optical-Modules Gen2 working finanziert bis
Dortmund, U inklusive group, Analysis mindestens
Erlangen, U Elektronik, Entwic Coordinator,Cha 2011, Gen2
Mainz, TU klung von ir Publ. Comm., R&D bis
München, U akustischen und mehrere 2020, R&D
Münster, U Radio-Detektoren, Taskleiter construction
Wuppertal, Betrieb und line in 2020-
Entwicklungen 2021
neuer Sensoren
KATRIN 120 70 65 60 KIT, U Bonn, FH Aufbau und Beide Sprecher, Start
Fulda, MPIK, Betrieb der Chair des Datennahme
MPP, U Mainz, TU meisten Kollaboration 2016/17
München, U Experimentkompo Boards,die
Münster, U nenten, meisten
Wuppertal Gastgeberlabor Taskleader
MAGIC 201 56 16 8 MPP, U Dortmund, Aufbau und Sprecher Seit 2005, 2.
U Würzburg, Betrieb der (mehrfach), Teleskop seit
DESY meisten Vorsitz Publ. 2009
Experimentkompo Board, Physik-
15nenten Koordinator
XENON1 120 20 15/15 4 /2 MPIK, U Mainz, U Xenontarget, Chair Collab. Start
T/nT Münster PMT, Muonveto, Board, Chair Datennahme
Gasreinigung und Publ. Comm., XENON1T
–analyse mehrere 2016,
Taskleiter XENONnT ab
2018/19
Anhang 2: Gruppenleiterinnen und Gruppenleiter in der
Astroteilchenphysik in Deutschland
16Anhang 3: Innovation aus der Astroteilchenphysik
Die Liste gibt einige ausgewählte Beispiele von Entwicklungen in der Astroteilchenphysik
wieder, die Anwendungen in anderen Gebieten gefunden haben.
Technologietransfer: Technology Forum APPEC 2015
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